З 473 генів, без яких не може обійтися новий «одноклітинний Франкенштейн», функції майже півтори сотні залишаються невідомими.
Кількість генів у всіх живих істот різна. З одного боку, тут дуже багато залежить від складності організації: багатоклітинному хробаку нематоді генетичної інформації потрібно більше, ніж одноклітинній бактерії, а ссавцю генів потрібно більше, ніж хробаку.
З іншого боку, у будь-якого організму геном влаштований так, щоб одні гени підстраховували інші - якщо один з них вийде з ладу, це не обов'язково призведе до загибелі (не так давно ми писали, як деякі гени, які вважалися для людини абсолютно необхідними, такими не виявилися - люди без них цілком можуть прожити.
Нарешті, деякі гени потрібні тільки в нестандартних, стресових ситуаціях, а якщо обстановка навколо більш-менш нормальна і комфортна, то вони як би і не потрібні. Наприклад, та ж бактерія може потрапити у виключно сприятливе живильне середовище, з ідеальними показниками температури, вмісту солей, поживних речовин тощо, а може, навпаки, перейти на голодний пайок, та ще випробувати на собі підвищення солоності або кислотності. І набір необхідних для виживання генів в обох випадках буде різний.
Усвідомивши, що одні гени можуть бути потрібнішими за інших, біологи прийшли до концепції мінімального геному - тобто мінімального набору генів, без яких організм не виживе. У 1996 році Аркадій Мушегян і Євген Кунін оцінили мінімальний необхідний геном для бактеріальної клітини в 256 генів; у 2004 році іншими дослідниками був запропонований набір у 204 гена.
Мінімальний геном будували на порівняльному аналізі декількох бактеріальних геномів; якщо ж говорити про конкретний організм, то тут неминуче доводиться згадати про бактерію Mycoplasma genitalium, збудника захворювань сечостатевої системи людини - у неї налічується всього 525 генів, з яких 470 кодують білки; життєво важливих з них 375. Геном мікоплазми деякий час вважався найменшим, поки не були прочитані ДНК ще кількох мікроорганізмів, які можуть існувати тільки у вигляді симбіонтів всередині клітин господаря. Поки що чемпіоном тут є бактерія Carsonella, що мешкає в клітинах листочок - її геном містить всього 182 гена з білковою інформацією.
Деякий час міркування про мінімальний геном обмежувалися теоретичним аналізом послідовностей ДНК, поки в 2010 році в Інституті Крейга Вентера не з'явився синтетичний організм, зібраний з двох бактерій мікоплазм: з клітини Mycoplasma capricolum витягли її власну ДНК (нагадаємо, що у бактерій всі гени укладені в одну-єдину кільцеву хромосому), а натомість пересадили штучно синтезований геном, створений на основі генів Mycoplasma mycoides. (Від експериментів з самою M. genitalium вирішили відмовитися, оскільки вона дуже повільно зростає - на відміну від мікоплазм M. mycoides і M. capricolum, які розмножуються набагато швидше.) Організм назвали JCVI-syn1.0, однак, хоча його ДНК і була синтезована в лабораторних умовах, пристрій геному JCVI-syn1.0 копіював пристрій генома M. mycoides, і від мінімального він був досить далекий.
Дослідники спробували позбутися генів, що відповідають за синтез поживних речовин (їх можна було додати в середу, щоб клітина жила на всьому готовому), а також викинути ще деякі некодуючі області. Але з такого підходу нічого не вийшло, клітини гинули. Тоді дослідники випробували інший підхід: всю ДНК розбили на кілька сегментів і почали їх комбінувати один з одним, щоб зрозуміти, які гени важливі, а які - не дуже. Ці експерименти призвели певним чином до очікуваного висновку, що навіть простій бактерії для нормального життя потрібні не тільки гени, які кодують білки, а й регуляторні послідовності ДНК, які самі нічого не кодують, але впливають на активність інших генів.
Подальші дослідження дозволили розділити всі гени M. mycoides на три групи: суттєві (тобто життєво важливі), несуттєві, і «як би суттєві» - в останній групі опинилися, які, строго кажучи, для виживання клітини не потрібні, але без яких розмноження бактерій сильно сповільнюється. В результаті вдалося зібрати ДНК з 531 тисячі підстав, кодуючу 473 гена (438 - білок-кодуючі послідовності, і ще 35 - кодуючі службові РНК, наприклад, РНК рибосом, без яких ніяка клітина не виживе) - порівняно з природним геномом Mycoplasma genitalium, в якому всього налічується 525 генів, синтезований геном виявився більш ".
Чергову синтетичну бактерію назвали JCVI-syn3.0, вона виявилася цілком життєздатною: її колонія подвоювалася на три години, що, звичайно, повільніше порівняно з мікоплазмою M. mycoides, у якої на це йде 1 годину, але набагато швидше, ніж M. genitalium, яка подвоюється за 18 годин. Детально новий «бактеріальний Франкенштейн» описується в статті в Science.
Звичайно, JCVI-syn3.0 довелося забезпечити майже всіма поживними речовинами - щоб мінімальний геном працював, клітина повинна була перебувати в ідеальних умовах. Функції життєво важливих генів легко вгадати, вони займаються синтезом ДНК, білків і мембран. Однак серед них було 149 генів, щодо яких досі незрозуміло, навіщо вони потрібні. Причому багато з них виявилися досить консервативними в ході еволюції, тобто деякі з цих 149 в майже незмінному вигляді можна виявити навіть у вищих еукаріот. Дивно, звичайно, що у нас досі є майже півтори сотні генів, які абсолютно необхідні всім живим істотам і про які ми досі нічого знаємо, крім їх послідовності. Але, з іншого боку, якраз такі «синтетичні» роботи повинні допомогти нам дізнатися про такі гени якомога більше.
Говорячи про синтетичний організм JCVI-syn3.0, необхідно пам'ятати, що його отримали зовсім не з неорганічного «первинного супу», в якому колись на Землі зародилося життя. Тут штучно синтезовану ДНК для JCVI-syn3.0 помістили в готову клітку, позбавлену свого геному. Сам Крейг Вентер вважає, що подібні експерименти зрештою відкриють нам таємницю життя. Вентер відомий своїми подвигами на ниві розшифровки геному людини: співробітники його компанії Celera Genomics стали одними з перших, хто зумів повністю прочитати людську ДНК. Згодом він впритул зайнявся проблемою синтетичного життя, і вже багато років поспіль Вентер і його колеги регулярно займають перші шпальти наукових і науково-популярних видань з повідомленнями про нові успіхи в геноміці та створення штучних організмів.
Невідомо, чи дізнаємося ми, як влаштоване життя, але ось фундаментальні принципи організації геному (і не тільки бактеріального) за допомогою таких (напів-) синтетичних клітин цілком можна дослідити. Можливо, в перспективі ми навіть зможемо створювати бактерій «під замовлення», які будуть виконувати ту чи іншу біохімічну роботу. Однак, як справедливо зауважує журнал Nature, який серед інших описує нову синтетичну бактерію, зараз у біологів з'явився потужний молекулярний інструмент CRISPR/Cas, створений на основі бактеріального противірусного імунітету - з його допомогою можна легко редагувати як ДНК, так і РНК, спостерігаючи, як змінюється функція гена і як це впливає на роботу генома в цілому. CRISPR/Cas з боку виглядає не настільки ефектно, як синтетична бактерія, але, можливо, в сенсі осягнення молекулярно-генетичних аспектів життя він виявиться більш ефективним.
За матеріалами The Scientist і NatureNews.